空調(diào)室內(nèi)機(jī)導(dǎo)流板角度對流場影響的大渦模擬

舒朝暉，段亞雄，張 強(qiáng)，陳旭升，萬 勇

（華中科技大學(xué)，湖北武漢 430074）

1 前言

家用分體空調(diào)室內(nèi)機(jī)由于結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，出風(fēng)均勻，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。風(fēng)道系統(tǒng)中使用的貫流風(fēng)機(jī)有別于其他類型的風(fēng)機(jī)，氣流兩次沿徑向進(jìn)出葉輪，在葉輪內(nèi)側(cè)靠近蝸舌處存在一個控制流場的偏心渦。偏心渦的大小和強(qiáng)度對貫流風(fēng)機(jī)流場分布具有重要的影響［1～4］，進(jìn)而影響整個風(fēng)道流場。與離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)不同，貫流風(fēng)機(jī)由于內(nèi)部復(fù)雜的流動特性以至于對流體的流動特性還沒有被人們完全理解，到目前為止還沒有通用的理論來指導(dǎo)貫流風(fēng)機(jī)的設(shè)計。國內(nèi)外大量有關(guān)分體空調(diào)室內(nèi)機(jī)流場的研究主要集中在換熱器布置方式［5～7］、貫流風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)改變等對流場的影響方面［8～12］，專門針對出風(fēng)導(dǎo)流板的研究比較少。出風(fēng)導(dǎo)流板角度不同，將導(dǎo)致氣流大小、方向發(fā)生改變，進(jìn)而影響房間的流場分布，影響空氣的摻混，對熱舒適性有較大的影響。本文建立分體空調(diào)室內(nèi)機(jī)全流場二維模型，利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件 FLUENT 15.0，采用大渦模擬（LES）方法，滑移網(wǎng)格（SM）技術(shù)，針對出風(fēng)導(dǎo)流板處于3種不同位置，葉輪處于高、中，低三檔不同轉(zhuǎn)速工況下的流場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析不同工況下流場的變化，為實(shí)際應(yīng)用提供參考。

2 分體空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道結(jié)構(gòu)

本文模型中整個風(fēng)道系統(tǒng)主要由換熱器（普通三折式換熱器）、貫流風(fēng)機(jī)（葉輪、蝸舌、蝸殼）和出風(fēng)導(dǎo)流板等組成。出風(fēng)導(dǎo)流板選用普通兩折圓弧形導(dǎo)流板，只考慮上下掃風(fēng)。將導(dǎo)流板固定在三個位置，相對于閉合狀態(tài)分別順時針轉(zhuǎn)動β=10°，30°，50°，導(dǎo)流板位置如圖1所示。

圖1 導(dǎo)流板位置

3 數(shù)學(xué)模型

將整個風(fēng)道系統(tǒng)置于一個半圓形域中，半圓半徑等于10倍葉輪外直徑，整體計算域及導(dǎo)流板和葉輪網(wǎng)格劃分如圖2所示，計算域采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散，旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，其他靜止區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格劃分。采用FLUENT中默認(rèn)的空氣參數(shù)，設(shè)置壓力進(jìn)口，靜壓為零；設(shè)置壓力出口，總壓為零。將換熱器處理為多孔介質(zhì)模型，旋轉(zhuǎn)域與靜止域采用interface連接。為了縮短非穩(wěn)態(tài)計算流場達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)的時間，用穩(wěn)態(tài)的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)初場。穩(wěn)態(tài)計算采用RNG k－ε模型，速度－壓力耦合采用SIMPLE算法，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系（MRF）處理動靜干涉；非穩(wěn)態(tài)計算采用大渦模擬（LES），速度－壓力耦合采用PISO算法，滑移網(wǎng)格（SM）處理動靜干涉，設(shè)置時間步長Δt為2×10－4s。葉輪轉(zhuǎn)速為高轉(zhuǎn)速Ω=1205 r/min，中轉(zhuǎn)速Ω=1060 r/min，低轉(zhuǎn)速Ω=806 r/min。監(jiān)測出口流量和蝸舌處壓力波動，當(dāng)監(jiān)測參數(shù)出現(xiàn)周期性變化時，認(rèn)為計算達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。一般葉輪轉(zhuǎn)動10圈左右時，達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。本次計算在達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)之后，統(tǒng)一取計算到1.2 s的流場作為比較。

圖2 整體計算域及網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果分析

4.1 速度場分析

圖3為各工況的速度分布云圖，從圖中可以看出，無論出風(fēng)導(dǎo)流板角度多大，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速增加時，出流速度增大，送風(fēng)距離延長；β=30°時，相對于β=10°的工況，氣流方向的改變不明顯，而當(dāng)β=50°時，相對于其它2種角度的導(dǎo)流板，出流空氣方向明顯向下偏移。當(dāng)導(dǎo)流板方向與出流空氣方向不一致時，如當(dāng)β=10°，將嚴(yán)重阻礙氣體的流動，從而影響出風(fēng)均勻性，同時由于導(dǎo)流板對空氣的阻礙作用，出口氣流在經(jīng)過導(dǎo)流板后擾動增加，氣流不穩(wěn)定性增強(qiáng)。

圖3 各工況速度分布云圖

4.2 壓力場和流線分布分析

圖4為各工況靜壓分布云圖和流線圖。沿著空氣流動的方向，靜壓逐漸降低，偏心渦的渦心壓力最低，流體在第二次流出葉輪后，靜壓開始回升。壓力分布云圖顯示不同轉(zhuǎn)速下，偏心渦的位置并沒有發(fā)生明顯變化；當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時，偏心渦的渦心壓力降低。流線遇到導(dǎo)流板后發(fā)生折轉(zhuǎn)，進(jìn)而氣流的方向發(fā)生改變。

沿著蝸殼排出的流體屬于低速自由射流，從各工況的速度云圖和流線圖可知，在遠(yuǎn)離射流速度軸心區(qū)，周圍的空氣由于引射作用，不斷與出流空氣摻混，進(jìn)行動量和能量的交換。室內(nèi)流場中的漩渦正是出流流體卷吸周圍靜止空氣的反映。隨著距離的延長，軸心速度逐漸衰減，摻混作用逐漸減弱。導(dǎo)流板基本上處于射流速度軸心區(qū)，不同角度的導(dǎo)流板會不同程度地將速度軸心區(qū)分散，從而可以在較短的距離內(nèi)完成摻混，摻混速度加快，從而可以使溫度均勻性得到提高。

4.3 渦量分布分析

圖5為高轉(zhuǎn)速（Ω=1205 r/min）下不同角度導(dǎo)流板渦量分布云圖。從圖中可知，流場中存在著各種尺度的渦結(jié)構(gòu)，大量的渦分布于葉輪進(jìn)口、蝸殼、蝸舌以及導(dǎo)流板端部，一些能量比較低的大尺度渦由于切向速度較大而沿著蝸殼排出。渦的產(chǎn)生、演化和耗散等變化是導(dǎo)致流場壓力波動和產(chǎn)生氣動噪聲的原因之一。當(dāng)出流空氣流動方向與導(dǎo)流板方向基本一致時，端部渦脫落較少，而當(dāng)氣流方向與導(dǎo)流板方向不一致時，將在端部產(chǎn)生嚴(yán)重的渦脫落，且端部的渦脫落呈現(xiàn)出不同的形態(tài)。圖5中的A點(diǎn)渦脫落出現(xiàn)在導(dǎo)流板的下方，而B點(diǎn)渦脫落不明顯，C點(diǎn)渦脫落出現(xiàn)在導(dǎo)流板的上方，這可能與貫流風(fēng)機(jī)出口氣流速度本身不均勻以及來流與導(dǎo)流板攻角不同有關(guān)。渦脫落的產(chǎn)生將消耗一部分流體的動能，使出流空氣流速降低，同時也會導(dǎo)致室內(nèi)機(jī)噪聲增大。

圖4 各工況靜壓分布云圖和流線圖

圖5 高轉(zhuǎn)速下導(dǎo)流板不同角度渦量分布云圖

5 結(jié)論

（1）利用二維非穩(wěn)態(tài)大渦模擬方法，能夠很好地模擬分體空調(diào)室內(nèi)機(jī)風(fēng)道的流場，流場中存在著各種尺度的渦結(jié)構(gòu)，偏心渦位置基本上不隨葉輪轉(zhuǎn)速而發(fā)生變化；

（2）不同導(dǎo)風(fēng)板角度影響出流流體速度的大小和方向，流線遇到導(dǎo)流板后發(fā)生折轉(zhuǎn)，當(dāng)氣流方向與導(dǎo)流板方向不一致時，將阻礙流體的運(yùn)動，在端部產(chǎn)生渦脫落，出流流體不穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而使出風(fēng)不均勻性增加。合理設(shè)置導(dǎo)流板角度將減少導(dǎo)流板端部渦脫落，提高整機(jī)性能和效率；

（3）導(dǎo)流板的存在，增加了出流速度擾動，同時將射流速度軸心區(qū)分散，空氣摻混速度加快，因而室內(nèi)溫度均勻性可以得到提高。

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